SuperKEKB へのビーム輸送路と ダンピングリング
1 はじめに
SuperKEKB加速器（以下、SuperKEKB）は、大 きく分けて２種類の加速器で構成されている。一つ は円形加速器（以下、リングと呼ぶ）で、これは、周 長約3 kmの主リングであるHER（電子リング、エ ネルギーは7 GeV）、LER（陽電子リング、エネル ギーは4 GeV）、および周長約135 mの陽電子ダンピ ングリング(Damping Ring(DR)）のように円形に近 い形に設置された真空パイプ内に電子や陽電子ビー ムを周回させる物。もう一つは線形加速器（以下、
LINACと呼ぶ）（長さ約600 m）で様々なリングの上 流に位置し、各リングの要求するパラメーター（ビー ムのエネルギー、１回に入射する電荷量、エミッタ ンス等々）のビームを作り、ビーム輸送路（Beam Transport line (BT)）を通して入射する。エミッタン スに関しては後で詳しく述べるが、一般に１塊（バ ンチ(bunch)）内の粒子の集団（ビーム）の運動の秩 序・揃い方を言う。エミッタンスが小さいと、ビーム サイズが小さく、また各粒子の運動量広がりが小さ いビームになる[1]。どちらの加速器も構成機器はほ ぼ同じで、ビームが通る真空パイプ、加速装置であ る加速空洞、ビームを制御する電磁石、ビームをモ ニターする位置モニターやプロファイルモニター、
安全装置、それらに指令を与える制御系である。
SuperKEKBは、設計検討中の2008年頃は蓄積 ビームを大電流にする事で、高いルミノシティを 目指していた。しかし検討を進めていくうちに、そ の設計は大電流で問題になるCoherent Synchrotron Radiation(CSR)等の影響が無視できないことがわ かってきたために、比較的小電流で高いルミノシ ティが達成できるナノビーム・スキームという衝突 方式に方向転換した。これは末次 祐介氏、森田 昭夫 氏の講義[2], [3]にある通り、衝突点での砂時計効果
（hour grass effect）を逆転の発想で克服したイタリア の加速器研究者P. Raimondi氏のアイディア[4]で、
リング内のビームをできるだけ低エミッタンスにし 衝突点でのベータ関数を小さくして、さらに電子と 陽電子のビームを水平方向に角度をつけて衝突させ
るという画期的な方法である。この方法だと、入射 はリングのビームのバンチに入射ビームを継ぎ足す 時に、以下の２つの点が入射ビームに要求される。
(1) 電荷量が多いこと
(2) 低エミッタンスであること
SuperKEKBリング内の蓄積ビームが低エミッタン
スということから、バンチ内の粒子間距離が近くなっ てクーロン散乱が起こりやすくなり、バンチの寿命 が短くなる（タウシェック（Touschek）効果）。そ のために入射ビームは高電荷であることが要求され る。また、リング内のビームが低エミッタンスであ る事から、入射ビームも低エミッタンスであること が要求される。KEKBとの比較を図1に示す。この
図1: SuperKEKBリングへの入射ビームの要求値
ように電荷量は３〜５倍も大きいにも関わらず、エ ミッタンスが一桁以上小さいビームを、それを保持 しつつLINAC、BT合わせて約1kmにもわたって 輸送することは、後で述べるように実際は大変困難 なことである。これらのビーム性能は、衝突性能の 向上に応じて徐々に最終要求値に近づけていく。現 在の達成値に関しては、後で述べる。
電子ビームに関しては、周 翔宇氏の講義[5]にあ るようにRF電子銃という特別な電子銃を用いて大 電流・低エミッタンス電子ビームを作ることができ る。しかし陽電子は榎本 嘉範氏の講義 [6]の通り、 ある程度高いエネルギーかつ高電荷の電子ビームを
目 次
SuperKEKBへのビーム輸送路とダンピングリング
１ はじめに … ……… …７－１ ２ LINAC とビーム輸送路……… …７－２
３ 粒子の位相空間運動…… ……… …７－３ ３．１ Longitudinal…Dynamics……… …７－４ ３．１．１ エネルギー圧縮システム（ECS）… ……… …７－５ ３．１．２ バンチ圧縮システム（BCS）… ……… …７－６ ３．１．３ アーク（Arc）とシケイン（Chicane）… ……… …７－７ ３．１．４ ウェイク場……… …７－７ ４ 入射と出射…… ……… …７－８
５ ビーム輸送路の設計…… ……… …７－９ ５．１ 陽電子キャプチャーセクションからDR入射まで……… …７－10 ５．１．１ LTR… ……… …７－11 ５．２ ダンピングリングのビームロス… ……… …７－12 ５．２．１ キャプチャーセクションのRF位相… ……… …７－12 ５．２．２ キャプチャーセクションのRF周波数… ……… …７－13 ５．３ DR出射からLER入射まで… ……… …７－14 ５．３．１ RTL… ……… …７－14 ５．３．２ RTLからLER… ……… …７－15 ５．３．３ 進行方向のエミッタンス増大……… …７－15 ５．３．４ 横方向のエミッタンス増大……… …７－16
６ ダンピングリング（DR）……… …７－18 ６．１ ダンピングリングの目的… ……… …７－19 ６．２ リングのエミッタンス… ……… …７－19 ６．２．１ シンクロトロン放射と放射励起……… …７－20 ６．２．２ ベータトロン振動の放射減衰……… …７－21 ６．２．３ 平衡エミッタンス……… …７－21 ６．３ リングでの減衰時間… ……… …７－22 ６．４ DRのラティス……… …７－22
７ DRの立ち上げ……… …７－24 ７．１． LTRの立ち上げ… ……… …７－24 ７．２． DRの減衰測定… ……… …７－24
８ LINACとBTにおけるエミッタンス増大……… …７－24 ８．１． エミッタンス増大のメカニズム……… …７－25 ８．２． エミッタンス保存のための努力……… …７－26 ９ SuperKEKBへの入射……… …７－27 References…… ……… …７－28
